CN1930496A - 用于将光学像差引入到光束的光学部件 - Google Patents

Abstract

一种用于将光学像差引入到光束的光学部件(48)，其定义光轴(28)，该光学部件包括流体箱(46)，其中具有第一流体(56)和至少第二流体(58)，该第一和第二流体(56，58)是不混溶的，该第一流体(56)和第二流体(58)沿着基本上横断光轴(28)而贯穿流体箱(46)的界面(60)相接触，该第一和第二流体(56，58)具有不同的折射率，该第一流体(56)基本上是电绝缘的，第二流体(58)基本上是导电的；与第二流体(58)分开的至少第一电极(62－70)和作用于第二流体的至少第二电极(72)，用以根据在该第一和第二电极(62－70，72)之间施加的电压而改变界面(60)的形状。该至少一个第一电极设置在相对于界面(60)的中间部分，从而根据在至少一个第一电极(62－70)和至少一个第二电极(72)之间施加的电压使界面(60)的中间部分(A，B)基本上沿着光轴(28)的方向移动。

Description

用于将光学像差引入到光束的光学部件

本发明涉及一种用于将光学像差引入到光束的光学部件，其定义光轴，该光学部件包括其中具有第一和至少第二流体的流体箱，该第一和第二流体是不混溶的，该第一流体和第二流体沿着基本上横断该光轴而贯穿流体箱的界面相接触，该第一和第二流体具有不同的折射率，该第一流体基本上是电绝缘的，该第二流体基本上是导电的；至少第一电极与第二流体分开，并且至少第二电极作用于第二流体，从而根据该第一和第二电极之间施加的电压来改变该界面的形状。

从文件WO 03/069380 A1中可以了解这种光学部件。

开头提及的光学部件例如用在用于光学记录载体的扫描设备中。记录载体可以是例如紧致盘(CD)或数字通用盘(DVD)。

在用于光学记录载体的扫描设备中，将通过例如半导体激光器的光源所产生的光束引导通过物镜，并使其通过该记录载体的透明保护层而聚焦到该记录载体的信息层上。光束必须穿过的透明保护层在光束中引起光学像差，特别是球面像差，所述像差降低了光束在记录载体的信息层上的焦点质量。透明保护层引起的另一种光学像差是慧差，其主要是由记录载体相对于光束的光轴倾斜而引起的，或者是由记录载体的定中(centering)误差引起的。

这些光学像差对扫描设备的输出信号具有消极影响。因此，需要补偿在这种扫描设备中的光学像差。

尽管可以通过物镜的特定透镜设计来补偿球面像差，但是也可以并且如果与物镜分开那么在一些情况下优选在光束路径中安排附加的光学部件，用以补偿这些光学像差。特别是，由于光学像差因透明保护层的不同厚度或者因记录载体相对于光束的不同倾斜或定中误差而从一个记录载体到另一个记录载体不等，因此希望可变地补偿这些光学像差，以便能够响应可变或不同种类和/或不同程度或数量的光学像差。

上面提及的文件WO 03/069380 A1公开了一种可变焦点透镜，其能够将光学像差引入到光束，以便补偿由例如被扫描的记录载体所引起的光学像差。这种可变焦点透镜包括第一流体和不混溶的第二流体，这两种流体在作为界面的弯月面上接触。提供通过流体接触层与这两种流体分开的第一电极以及与第一流体接触的第二电极，以便引起电润湿效应，由此能够通过在这两个电极之间施加电压来改变弯月面的形状。流体接触层具有基本上圆柱形的内壁。这种已知可变焦点透镜的第一电极是围绕平行于光轴的流体箱圆周壁的基本上圆柱形的电极。第二电极配置为具有中心孔径的环，其垂直于光轴设置。这种已知的可变焦点透镜依靠通过向流体箱中的流体施加电场能够改变流体对壁的可湿性的这种效应。

在这种已知的装置中，可以将第一和第二流体之间的折射界面制成非球面，从而提供球面像差校正。但是，这种已知的可变焦点透镜具有下面的缺点。

由于这种已知的可变焦点透镜依赖电润湿效应，因此电极影响弯月面在圆周壁的角度，但是对中心弯月面形状只有有限的影响，从而能够在两种流体之间的折射界面中获得仅仅有限数量的不同非球面，由此限制了补偿光束中大量不同种类和程度的光学像差的能力。

能够产生波前像差的其他光学部件基于液晶盒，例如在文件US2003/0007445 A1或US 2002/0181367 A1中公开了这些光学部件。

但是，这些液晶盒具有制造昂贵的缺点，因为包含许多取向层，使这些液晶盒并不是用于引入且因此补偿光束中的光学像差的节省成本的方案。而且，这些液晶盒的切换时间是几毫秒，不允许快速切换或调谐。

因此，本发明的目的是改进如在开头提及的光学部件，以便实现更自由的表面形状，同时允许快速的切换速度并且获得仅仅很低的制造成本。

利用开头提及的光学部件来实现这一目的，其中在相对于界面的中间部分设置至少一个第一电极，从而根据在至少一个第一电极和至少一个第二电极之间施加的所述电压使圆周壁之间的界面的中间部分基本上沿着光轴方向移动。

根据本发明的光学部件的概念基于以下理解，即可以朝放在电绝缘流体层(即第一流体)下面的电极牵引接触液体(即第二流体)。在已知的电润湿器件中，通过影响弯月面与壁的接触角使界面的形状变形。在壁的中间，不能影响该界面，该界面采取属于表面自由能最小的状态的形状。相反，依靠根据本发明的光学部件，导电的第二流体受至少一个第一电极的影响，所述第一电极设置为在第一和第二电极之间产生的电场通过界面作用于在流体箱的圆周壁之间的中间部分中的导电的第二流体，并且基本上垂直于该界面，通过在至少一个第一电极和第二电极之间施加各自的电压，第一和第二流体之间的界面基本上在光轴的方向上朝至少一个第一电极移动或远离其移动。这样，可以影响甚至位于流体箱的圆周壁中间的界面或弯月面的曲率。换句话说，由至少一个第一电极和至少一个第二电极产生的电场通过界面基本上垂直地作用于导电的第二流体上，由此使其基本上平行于光轴移动。

该至少一个第一电极优选设置在流体箱的横断光轴的壁中，其代表该光学部件的光入射壁或光出射壁。这样，至少一个第一电极设置在光束的光路中，但是这不会导致技术问题，因为该至少一个第一电极可由透明材料制成，所述透明材料例如氧化铟锡，其是用于制造透明电极的已经使用的材料。

在本发明的优选设计(refinement)中，该至少一个第一电极配置为薄板，其具有垂直于光轴而设置的平面。

此外，优选的是，如果在基本上垂直于光轴的一个平面上并排设置多个彼此电绝缘的第一电极。这样，例如可以调整同时具有凹和凸部分的界面形状。

在这方面，优选的是，如果第一电极分别连接到电压源，从而在至少一个第二电极和其中一个第一电极之间施加不同的电压。

这样，可以控制彼此分开的每个第一电极，从而更增加了可能的界面或弯月面形状的数量。

优选的是，几个第一电极可以与另一个在尺寸和/或形状上不同，其中例如可以根据将要引入到光束的特定光学像差来选择单个第一电极的尺寸和/或形状。这样，也可以按照相对于光轴的非旋转对称方式提供光学像差补偿。

此外，当希望以相对于光轴的旋转对称方式提供像差校正时，优选的是，将至少一个电极配置为环形，并且将多个第一电极配置为相对于光轴同心排列的环。

通过向光轴周围设置的不同环供应不同的电压，可以调整在两种流体之间的折射界面的所需形状。

在另一个优选设计中，多个第一电极包括至少三个第一电极，其中两个第一电极以椭圆形或卵形配置，它们彼此平行设置并相距一定距离，这两个第一电极由充满圆周壁之间的剩余部分的第三个第一电极围绕。

第一电极的这种配置特别适合于将慧差引入到光束中用以补偿慧差。

本发明进一步涉及用于光学记录载体的扫描设备，其包括上述任一种配置的光学部件。

其他特点和优点将从下面的描述和附图中显而易见。

应该理解，上述或下面要描述的特征不仅能够以给出的组合来使用，而且能够以不背离本发明的范围的情况下的其他组合来使用或独立地使用。

下面参照附图来描述本发明的优选实施例。在附图中：

图1示出记录载体的扫描设备的示意图，其包括用于将光学像差引入到光束的光学部件；

图2是用于在静止状态下将光学像差引入到光束的光学部件的第一实施例的横截面放大侧视图；

图3示出在用于引入光学像差的第二示范性操作状态下的图2中的光学部件；

图4是沿图2的IV-IV线得到的图2和3中的光学部件的横截面的视图；

图5是沿图6的V-V线得到的用于将光学像差引入到光束的光学部件的另一实施例的横截面的视图；以及

图6是图5中的光学部件在示范性操作状态中的横截面视图。

图1示出用于扫描光学记录载体12的扫描设备10。该记录载体包括透明层14，在其一侧设置信息层16。信息层16背向透明层14的一侧由保护层(未示出)保护以使其不受环境影响。透明层14充当记录载体12的衬底，用以向信息层16提供机械支承。

记录载体12例如是紧致盘(CD)或数字通用盘(DVD)。将信息按照在信息层16(未示出)上基本上平行、同心或螺旋轨道中设置的可光学检测的标记的形式存储在记录载体12上。这些标记可以是任何光学可读的形式，例如以凹坑或反射系数或磁化方向不同于其周围环境的区域的形式，或这些形式的组合。

扫描设备10包括光源18，例如半导体激光器，其发射发散的光束20。分束器22，例如半透明板，其朝准直透镜24反射光束20，以形成准直光束20′，该准直光束入射在物镜26上。物镜26将光束20′变为会聚光束20″，该会聚光束穿过透明层14并入射在记录载体12的信息层16上。

尽管在所示的实施例中准直透镜24和物镜26表示为分开的光学元件，但是也能够组合成单个透镜。

准直透镜24和物镜26确定光束20′、20″的光轴28。

光束20″由信息层16反射，并沿着光束20″的相同路径返回到分束器22，在分束器22将至少一部分反射光束朝检测系统30透射。检测系统30捕获该光，并将其转变为一个或多个电信号。这些信号之一是信息信号32，其值代表从信息层16读取的信息。

另一个信号是焦点误差信号34，其值代表信息层16上的焦点F与信息层16之间的轴向高度差。焦点误差信号34用作焦点伺服控制器36的输入，其控制物镜26的轴向位置，由此控制焦点F的轴向位置，使焦点F基本上与信息层16的平面重合。此外，可以提供中心伺服控制器来横向地移动物镜26以便响应记录载体12的定中误差。

此外，在光束20′、20″的路径上设置用于将光学像差引入到光束20′、20″的光学部件40。在该实施例中，在准直透镜24和物镜26之间设置光学部件40。但是，该光学部件40也可以位于从光束20′、20″的方向看时物镜26的后面，即位于物镜26和光学记录载体12之间。

光学部件40将如球面像差和/或慧差的光学像差引入到光束20′、20″中，以便补偿由透明层14引起的相应的像差，特别是在光学记录载体12的倾斜误差或定中误差的情况下。

光学部件40具有可调的像差特性，通过经由一根或多根电线44连接到光学部件40的控制系统42对其进行控制。

参考图2至4，在下文中将描述光学部件40的第一实施例。

光学部件40包括流体箱46，其确定光轴，所述光轴是1中的光轴28。流体箱46由具有圆周壁50的密封容器48容纳，其基本上是圆筒形。但是，可以设想，圆周壁50可以是其他形状。容器48进一步包括底壁52和顶壁54，该底壁和顶壁是横向的，在该实施例中，其相对于光轴28垂直。在圆周壁50是圆筒形的情况下，底壁52和顶壁54是圆形的。也可以按照上下颠倒的方式来使用“底壁”和“顶壁”的表述，即壁52也可以是“顶壁”，那么壁54是“底壁”。

至少底壁52和顶壁54是透明的，因此图1中的光束20′或20″可以穿过容器48的底壁52和顶壁54。圆周壁50也可以由透明材料制成，但这不是必需的，因为圆周壁50不用作光束20′、20″的入射面或出射面。

流体箱46填充有第一流体56和第二流体58。

第一流体56和第二流体58彼此是不混溶的。此外，第一流体基本上是电绝缘的，第二流体58基本上是导电的。

第一流体56和第二流体58沿着基本上横断光轴28而贯穿流体箱46的界面60彼此接触。

第一流体56可以是硅油或链烷，这里简称作“油”，而第二流体例如是盐水溶液。这两种流体56和58优选设置为具有相等的密度，从而使光学部件40的功能不取决于方位，即不取决于两种流体56和58之间的重力影响。这可以通过适当选择第一流体的组分来实现。为此，例如可以通过增加分子组分来改变链烷或硅油从而将密度增大到与盐溶液匹配。

第一流体56和第二流体58的折射率彼此不同，从而使界面60成为折射面。

此外，第一流体56的厚度可以是在大约10μm至大约200μm或几百μm的范围内。

光学部件40进一步包括至少一个第一电极，在该实施例中示出多个第一电极62、64、66、68、70。这些第一电极62-70配置为环，其相对于光轴28同心地排列。

第一电极62-70由透明导电材料制成，如氧化铟锡。第一电极62-70嵌入在容器48的底壁52中，因此其不与第一流体56或第二流体58接触。在其他实施例中，电极62-70可以淀积在壁52的内表面上并通过例如聚醚四氟化乙烯(polyethertetrafluorethylene)的分离层与第一流体分开。

至少一个第二电极(在该实施例中是一个第二电极72)与导电的第二流体58接触。该第二电极72例如浸入第二流体58中。

第一电极62-70中的每一个都连接到电压源，从而可以向电极62施加电压V₁、向电极64施加电极V₂、向电极66施加电压V₃、向电极68施加电压V₄以及向电极70施加电压V₅，其中V₁-V₅彼此不同，但是对于电极62-70中的两个或多个，V₁-V₅也可以相同。

电极60-70配置为薄板，其具有垂直于光轴28设置的平面，如图2和3中所示。此外，电极62-70在圆周壁50之间垂直于光轴28的基本上一个平面内并排设置。

因此，通过图1中的控制系统42经由一根或多根线44来控制单独的第一电极62-70。

图2示出光学部件40的静止状态，此时电压V₁-V₅是零或全部具有相同的值。在这种情况下，第一流体56和第二流体58之间的界面60基本上是平面或平坦的。

从图2中所示操作状态并且例如向第一电极70施加不为零的电压V₅开始，产生电场，引导该电场通过电绝缘的第一流体56经过界面60并基本上垂直于界面60而作用于导电的第二流体58，由此根据部分A中电压V₅的符号而向第一电极70的方向牵引第二流体58或将其推开。电压V₅的量决定从第一电极70推开第二流体58或朝第一电极70牵引第二流体58的行程。

此外，如果例如向第一电极64施加电压V₂，那么根据紧接着电极64的界面60的部分B中V₂的符号也从第一电极64推开第二流体58或朝第一电极64牵引第二流体58。这样，通过向电极62、64、66、68、70施加各自的电压V₁、V₂、V₃、V₄、V₅，可以获得任意形状的折射界面60，由此可以调整适合于将所需光学像差引入到光束20′或20″中的界面60的所需形状。

通过第一电极62-70设置在圆周壁50之间的流体箱46的中间部分的这一情况可以提供推挽效应。

图3示出界面60的任意形状，其已经由电压V₁-V₅的适当选择进行了调整。

在图2至4中所示的实施例中，由相应的电压V₁-V₅所形成的界面60的任何形状都是关于光轴28旋转对称的，因为电极62-70配置为相对于光轴28同心设置的环。

但是，可以设想提供其他数量、形状和/或尺寸的第一电极，以便能够调整界面60的任何所需形状，其也包括关于光轴28旋转非对称的形状。

例如，为了增加图2至4的实施例中电极的数量，可以通过沿直线断开电极62-70的环而将电极62-70设计为半环，由此将电极的数量从五个增加到十个。在这种情况下，最后得到的这十个电极可以具有其自己的电压源，因此有机会向十个电极施加十个不同的电压，从而可以实现界面60的旋转非对称形状。

图5和6中示出了光学部件48′的另一个实施例，其与图2至4中的光学部件48的不同之处仅在于第一电极的配置，因此仅关于第一电极来描述光学部件48′。图5和6中所示的与图2-4中所示的相同或相似的元件用最初赋予的数字来表示。

光学部件48′包括三个第一电极74、76、78。

第一电极76和78基本上以卵形或椭圆形来配置，其彼此平行设置并彼此隔开。

第一电极74围绕第一电极76和78并与电极76和78电绝缘。电极74填充底壁52′中的剩余空间。

当向电极74施加电压V₀＝0、向电极78施加电压V₁＝V、向电极76施加电压V₂＝-V时，界面60′获得如图6中所示的形状，这样，当光束20′穿过光学部件48′时，将彗形波前引入到光束20′中。

对于本领域的技术人员来说，其他实施例以及上述实施例的修改是显而易见的，特别是根据将光学像差引入到光束中用以补偿扫描设备10中的对应光学像差，可以使用其他数量、形状和/或尺寸的第一电极。

Claims (10)

1.一种用于将光学像差引入到光束(20′，22″)的光学部件，其定义光轴(28)，该光学部件包括：

流体箱(46)，其中具有第一流体(56)和至少第二流体(58)，该第一和第二流体(56，58)是不混溶的，该第一流体(56)和第二流体(58)沿着基本上横断光轴(28)而贯穿流体箱(46)的界面(60)相接触，该第一和第二流体(56，58)具有不同的折射率，该第一流体(56)基本上是电绝缘的，该第二流体(58)基本上是导电的；

与第二流体(58)分开的至少第一电极(62-70；74-78)和作用于第二流体的至少第二电极(72)，用以根据在该第一和第二电极(62-70，72)之间施加的电压而改变界面(60)的形状；

其特征在于

该至少一个第一电极设置在相对于界面(60)的中间部分，从而根据在至少一个第一电极(62-70；74-78)和至少一个第二电极(72)之间施加的电压使界面(60)的中间部分(A，B)基本上沿着光轴(28)的方向移动。

2.根据权利要求1的光学部件，其特征在于至少一个第一电极(62-70；74-78)设置在横断光轴(28)的流体箱(46)的壁(52)中。

3.根据权利要求1或2的光学部件，其特征在于至少一个第一电极(62-70；74-78)配置为薄板，其具有垂直于光轴(28)设置的平面。

4.根据权利要求1至3中任一项的光学部件，其特征在于彼此电绝缘的多个第一电极(62-70；74-78)在垂直于光轴(28)的基本上一个平面中并排布置。

5.根据权利要求4的光学部件，其特征在于第一电极(62-70；74-78)分别连接到电源电压，从而在至少一个第二电极(72)与第一电极(62-70；74-78)中的一个之间施加不同的电压。

6.根据权利要求4或5的光学部件，其特征在于第一电极(62-70；74-78)的尺寸和/或形状彼此不同。

7.根据权利要求1至6中任一项的光学部件，其特征在于至少一个电极(62-70)以环形来配置。

8.根据权利要求4至7中任一项的光学部件，其特征在于第一电极(62-70)配置为相对于光轴(28)同心设置的环。

9.根据权利要求4至7中任一项的光学部件，其特征在于多个第一电极(74-78)包括至少三个第一电极(74-78)，其中两个第一电极(76，78)以椭圆或卵形配置，其彼此平行布置并相距一定距离，这两个第一电极由第三个第一电极(74)围绕，该第三个第一电极填充这两个第一电极(76，78)之间的剩余部分。

10.一种用于光学记录载体的扫描设备，其特征在于权利要求1至9中任一项的光学部件(48)。

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